Laser-Sichtintegration für moderne Anwendungen

Die meisten Leute denken, Laservisiere seien nur für Schusswaffen gedacht, aber die Technologie hat sich weit über diesen ursprünglichen Markt hinaus verbreitet. Wir arbeiten seit 2019 mit Laserzielsystemen und die Anwendungen weiten sich immer weiter auf die Bereiche Industrie, Medizin und Robotik aus, in denen es auf präzise Ausrichtung ankommt.

Am Grundprinzip hat sich nicht viel geändert - Sie projizieren einen sichtbaren oder IR-Strahl, der markiert, wo etwas auftrifft oder wo ein Werkzeug angreift. Doch die Ausführung wird schnell kompliziert, wenn man Montageoptionen, Strombedarf und Umgebungsbedingungen berücksichtigt.

Crimson Trace brachte 2018 seine Rail Master-Serie auf den Markt, und diese Einheiten konnten einem Rückstoßstoß von 1000 G standhalten. Diese Spezifikation wurde zum Maßstab für die Industriemontage, denn wenn sie den Rückstoß einer Schusswaffe übersteht, wird sie den meisten Vibrationsumgebungen in der Fertigung standhalten. Das RM-110-Modell kostete im Einzelhandel etwa 280 US-Dollar (Preise von crimsontrace.com aus dem Jahr 2020), was zwar steil war, aber einen roten 5-mW-Laser lieferte, der nach wiederholten Stößen auf Null blieb.

Für den Fließbandbetrieb haben wir die TLR-Serie von Streamlight zusammen mit einigen günstigeren Optionen ausländischer Hersteller getestet. Der Temperaturdrift war der Killer - Einheiten, die weniger als 50 $ kosten, würden ihren Zielpunkt um 3 bis 4 Zoll auf 20 Fuß verschieben, wenn sie von 60 Grad F auf 95 Grad F in der Werkstatt wechseln. Die Streamlight-Einheiten (ca. 180–220 US-Dollar, je nach Modell) blieben in diesem Bereich laut unserem Prüfstandstest im Sommer 2021 innerhalb von 0,5 Zoll bei Null.

Dieses Maß an Stabilität ist jedoch nicht immer erforderlich. Hängt ganz davon ab, was Sie tun.

Laser Sight

Das wird merkwürdig, weil für die Montage medizinischer Geräte häufig Laser der Klasse 2 erforderlich sind (weniger als 1 mW Leistung gemäß FDA-Vorschriften - accessdata.fda.gov enthält die vollständigen Klassifizierungen), aber eine Positionierungsgenauigkeit unter 0,1 mm bei Arbeitsabständen von 300 {9}}500 mm erforderlich ist. Coherent Inc. stellt Lasermodule her, die diese Spezifikationen erfüllen – ihre CUBE-Serie kostet je nach Wellenlänge und Leistungsabgabe etwa 400–600 US-Dollar pro Einheit.

Wir haben letztes Jahr einige rote 635-nm-Laser in ein Kathetermontagesystem integriert. Die Wellenlänge ist wichtiger, als den Leuten bewusst ist. - 635nm ist bei typischer Fluoreszenzbeleuchtung weitaus besser sichtbar als 650nm, laut der technischen Dokumentation von Laserex etwa viermal besser sichtbar. Der Kostenunterschied beträgt vielleicht 15–20 %, lohnt sich aber, wenn Bediener das Ausrichtungssystem für 8-Stunden-Schichten verwenden.

Grüne Laser (typischerweise 532 nm) sind für das menschliche Auge noch besser sichtbar, etwa fünfmal besser als rote bei gleicher Leistung. Aber sie kosten mehr und verbrauchen Batterien schneller. Wir haben die Stromaufnahme eines grünen 5-mW-Moduls bei 180 mA im Vergleich zu 120 mA für den entsprechenden roten Ausgang gemessen. Für handgeführte Werkzeuge ist das wichtig. Wenn das Budget dies zulässt, verwenden Sie bei Festinstallationen mit Wandstrom die grüne Variante.

ABB Robotics begann etwa 2017 mit der Integration von Laserpointern in seine IRB-Serie für den Betrieb per Teach-Pendant. Technikern ist es viel einfacher geworden, Roboterpfade zu visualisieren, ohne Live-Operationen durchführen zu müssen. Die von ihnen verwendeten Lasermodule waren nichts Besonderes - Im Grunde handelte es sich um neu verpackte kommerzielle Einheiten mit besserer Stoßmontage und IP67-zertifizierten Gehäusen.

Fanuc verfolgte bei seinen kollaborativen CRX-Robotern einen anderen Ansatz, indem es den Lasersender in den Werkzeugflansch einbaute und ihn zur Visualisierung der Sicherheitszone nutzte. Ihr System projiziert einen Punkt mit einem Durchmesser von 10–15 mm, der sich mit dem Endeffektor bewegt. Der Stromverbrauch liegt bei etwa 2 W im Dauerbetrieb, was direkt aus dem Leistungsbudget des Werkzeugs stammt. Dies müssen Sie bei der Spezifizierung von Greifern oder anderen Endeffektoren berücksichtigen.

Universal Robots verfügt standardmäßig nicht über Laservisiere, sein UR+-Ökosystem verfügt jedoch über mehrere Optionen von Drittanbietern. Die Robotiq-Handgelenkkamera wird manchmal mit einem koaxialen Laser zur Tiefenmessung gekoppelt, wobei es sich hierbei jedoch eher um strukturiertes Licht als um einfaches Zielen handelt.

Lasernivellierer für den Bau sind eine ganz andere Kategorie, aber erwähnenswert. Sowohl die GLL-Serie von Bosch als auch der DW088 von Dewalt verwenden Laser der Klasse 2 und projizieren Linien anstelle von Punkten. Der DW088 kostet etwa 150 US-Dollar und wirft senkrechte Linien mit einer Genauigkeit von ±1/8 Zoll auf 30 Fuß (Datenblatt von dewalt.com). Diese Dinge sind so billig geworden, dass sie in kleinen Ladenumgebungen für Layoutarbeiten auftauchen.

Berechnungen zur Batterielebensdauer werden kompliziert, da die Effizienz der Laserdioden je nach Temperatur variiert. Eine typische rote Laserdiode könnte einen Wirkungsgrad von 15-20 % haben, was bedeutet, dass 80–85 % der Eingangsleistung in Wärme umgewandelt werden. Aus diesem Grund benötigen Dauerbetriebinstallationen auch für Module mit geringer Leistung einen Kühlkörper.

Wir haben ein 5-mW-Rotlasermodul gemessen, das 90 mA bei 3,3 V - zieht. Das entspricht etwa 300 mW Eingang für 5 mW Ausgang, also etwa 17 % Wirkungsgrad. Wenn Sie das Gerät mit einer CR123A-Batterie (1500 mAh Kapazität bei 3 V) betreiben, erhalten Sie theoretisch eine Laufzeit von 16–17 Stunden, in der Praxis werden Sie jedoch eher 12–14 Stunden sehen, da die Batteriespannung unter Last sinkt.

Die Montage selbst verursacht die Hälfte der Probleme, die wir bei Feldinstallationen sehen. M3-Befestigungslöcher sind Standard, die Gewindetiefe variiert jedoch je nach Hersteller. Einige chinesische Module verfügen über M3x0,5-Gewinde mit einer Tiefe von 4 mm, andere mit einer Tiefe von 6 mm. Klingt trivial, aber wenn Sie versuchen, durch eine 3-mm-Aluminiumplatte mit korrektem Gewindeeingriff zu montieren, bestimmt dieser Unterschied von 2 mm, ob Sie eine Standardschraube verwenden können oder kundenspezifische Hardware benötigen.

Surefire verwendet ein proprietäres Schienengreifersystem für seine X400-Waffenlichter, das sich auch hervorragend für die industrielle Montage an T--Nut-Aluminiumprofilen eignet. Die Klemmkraft ist einstellbar und hängt nicht vom Gewindedrehmoment ab, was dazu beiträgt, in Umgebungen mit hohen -Vibrationen Null zu halten. Die Einheiten kosten etwa 600 US-Dollar, halten aber ewig. Einige davon sind seit 2018 in Betrieb und erfordern bis auf den Batteriewechsel keinen Wartungsaufwand.

Laser Sight

IR-Laser (normalerweise Wellenlängen von 850 nm oder 940 nm) werden auf Kamerasensoren angezeigt, nicht jedoch für das menschliche Auge. Nützlich für Bildverarbeitungsanwendungen, bei denen sichtbares Licht die Sichtlinien des Bedieners nicht beeinträchtigen soll. Edmund Optics verkauft 850-nm-Module für etwa 200 bis 300 US-Dollar, die mit Standard-Industriekameras kombiniert werden können. Die Kameras der Basler ace-Serie haben in diesem Bereich eine gute Empfindlichkeit – ihr Modell acA1920-40gm zeigt laut Datenblatt (baslerweb.com) eine Quanteneffizienz von 50 % bei 850 nm.

940 nm werden noch unsichtbarer, aber die Kameraempfindlichkeit nimmt ab. Die meisten Siliziumsensoren haben etwa 30 % QE bei 940 nm gegenüber 50 % bei 850 nm, sodass Sie für eine bessere Verborgenheit auf das Signal verzichten. Es lohnt sich nur, wenn das für den Menschen sichtbare-Licht wirklich ein Problem darstellt.

Laserausrichtungswerkzeuge für optische Systeme verwenden manchmal IR, da sie in Umgebungen eingesetzt werden, in denen sichtbares Streulicht Probleme verursacht. Die IR-Ausrichtungslaser der Newport Corporation kosten 800–1200 US-Dollar, bieten aber eine einstellbare Leistungsabgabe und eine bessere Strahlqualität als billige Module. M²-Werte unter 1,1 gegenüber 1,3-1,5 für Gewerbeeinheiten. Das ist wichtig, wenn Sie versuchen, in kleine Öffnungen einzukoppeln oder die Kollimation über große Entfernungen aufrechtzuerhalten.

Wir verwenden diese jedoch nicht, es sei denn, die Anwendung erfordert dies. Die Kosten summieren sich schnell.

Ein „5-mW-Laserpointer“ könnte eine Strahldivergenz zwischen 0,5 Milliradiant und 1,5 Milliradiant haben. Bei 10 Metern ist das der Unterschied zwischen einem 5-mm-Punkt und einem 15-mm-Punkt. Hersteller geben dies manchmal vor, manchmal nicht.

Die günstigen grünen Laser von Amazon weisen in der Regel eine Divergenz von 1,2-1,5 Mrad auf. Wir haben mehrere Einheiten mit einem einfachen Aufbau gemessen – Laser in festem Abstand, weißes Ziel, Messpunktdurchmesser mit Messschiebern. Nicht genau NIST-rückverfolgbar, aber gut genug für Anwendungszwecke. Die teureren grünen DPSS-Laser von CNI oder Laserglow Technologies erreichen normalerweise weniger als 1,0 mrad und haben bessere kreisförmige Strahlprofile.

Das Strahlprofil ist wichtig, wenn Sie versuchen, kleine Ziele zu treffen. Ein Gaußscher Strahl sorgt für einen sauberen zentralen Punkt mit allmählichem Abfall. Billigere Diodenlaser haben manchmal elliptische oder unregelmäßige Profile, die ein präzises Zielen erschweren. Die einzige Möglichkeit, dies herauszufinden, besteht darin, sich entweder auf das Datenblatt des Herstellers zu verlassen (risikoreich, wenn es sich um keine Marken handelt) oder es selbst zu testen.

Für die Ausrichtung chirurgischer Instrumente haben wir letztendlich eine maximale Divergenz von 0,6 mrad angegeben, da der Arbeitsabstand 400 mm und die Zielgröße einen Durchmesser von 2 mm betrug. Das gibt zwar etwas Schwung, aber nicht viel. Der Kostenaufschlag für eine engere Divergenz betrug etwa 40 % gegenüber Standard-Industriemodulen.

Wir integrieren Laserausrichtungssysteme in eine CNC-Fräsanlage zur automatisierten Werkzeugeinstellung. Scheint unkompliziert zu sein - Laser am Spindelgehäuse montieren, Strahl auf festes Referenzziel projizieren, Abweichung vor jedem Werkzeugwechsel messen. Hat beim Testen gut funktioniert, scheiterte in der Produktion, weil Schneidflüssigkeitsnebel das Laserfenster innerhalb von 2 Wochen beschädigte. Darüber hat in der Designphase niemand nachgedacht.

Die Lösung bestand darin, eine Druckluft-Spüldüse hinzuzufügen, die einen konstanten Luftstrom über die Laseröffnung aufrechterhielt. 45 $ für Teile und 2 Stunden Installationszeit pro Maschine hinzugefügt. Hätte im Originaldesign sein sollen.

Der Temperaturausgleich ist eine weitere Sache, die den Menschen Ärger bereitet. Wir haben ein Laserpositionierungssystem für ein Verbundwerkstoff-Auflegewerkzeug spezifiziert, das von 65 °F bis 140 °F betrieben werden kann. Der Hersteller des Lasermoduls gab an, dass sein Gerät für 140 °F ausgelegt sei, erwähnte aber nicht, dass die Nullpunktverschiebung nur bis 120 °F garantiert sei. Darüber hinaus verschob die thermische Ausdehnung der Montagehalterung den Strahl um 0,060 Zoll bei 20 Fuß. Völlig inakzeptabel für Layup-Toleranzen.

Am Ende wechselte ich zu einem anderen Hersteller (Laser Components DG GmbH, deren FP-Serie), der explizit Daten zur Temperaturkompensation bereitstellte. Die Kosten waren ähnlich, etwa 380 US-Dollar pro Modul, aber sie testeten und dokumentierten tatsächlich das Verhalten, das uns wichtig war.

Laser Sight

Bei der Großserienproduktion, bei der das Laservisier in das Produkt integriert ist, montieren Sie manchmal einfach die Rohdiode und den Treiberschaltkreis direkt, anstatt ein fertiges Modul zu kaufen. Wir haben dies für ein medizinisches Gerät getan, das einen roten 3-mW-Laser benötigte. - Der Kauf von Osram PLT-Dioden5 450 in einer Menge von 1000 kostete jeweils etwa 4,20 US-Dollar (Preise für Händler von osram.com 2023), plus weitere 2–3 US-Dollar für den Treiber-IC und die passiven Komponenten. Komplette Module kosten jeweils 25 bis 40 US-Dollar, daher machte DIY bei großen Mengen Sinn.

Der Nachteil besteht darin, dass Sie Ihr eigenes optisches Design, Kühlkörper, Treiberschaltungsvalidierung und Zuverlässigkeitstests durchführen. Für etwas, das in ein medizinisches Gerät einfließt, das bei der FDA eingereicht werden muss, ist das eine erhebliche technische Arbeit. Wir haben insgesamt etwa 200 Stunden für Design und Validierung aufgewendet, aber im Laufe der Produktion rund 18.000 US-Dollar an Komponentenkosten eingespart. Bei 1000+ Einheiten lohnt es sich, bei weniger als 500 Einheiten lohnt es sich nicht.

Kollimierende Optiken sind der knifflige Teil. Sie benötigen entweder eine asphärische Linse oder ein Multielementsystem, um mit einer nackten Diode eine anständige Strahlqualität zu erzielen. Edmund Optics verkauft asphärische Linsen für die Laserkollimation ab etwa 25–50 US-Dollar, je nach NA und Durchmesser. Für eine gute Kollimation ist jedoch ein präziser Abstand zwischen Diode und Linse erforderlich, der typischerweise innerhalb von 0,05 mm liegt. Das bedeutet entweder eine präzise Bearbeitung des Gehäuses oder Einstellschrauben mit Arretierung.

Einige Hersteller umgehen dieses Problem mit vor-kollimierten Diodenmodulen. Thorlabs bietet seine CPS-Serie an, die Diode, Treiber und Kollimationsoptik in einem kompakten TO--Gehäuse vereint. Etwa 80–120 US-Dollar pro Einheit, was immer noch günstiger ist als fertige Laserpointer und Ihnen mehr Designflexibilität bietet.

Ich bin mir nicht sicher, warum nicht mehr Menschen diese für eingebettete Anwendungen verwenden. Sie lösen die meisten mechanischen Toleranzprobleme und halten gleichzeitig die Kosten bei moderaten Volumina im Rahmen.

Für tragbare Lasermodule im 1-5mW-Bereich,Lithium-CR1/3N-Batteriefunktionieren überraschend gut. Sie sind körperlich winzig, haben aber 170 mAh bei 3 V, was für eine Laufzeit von 8–10 Stunden bei typischen roten Lasermodulen ausreicht. Wir haben sie in tragbaren Ausrichtungsgeräten verwendet, bei denen AA-Batterien zu sperrig waren. Die Kosten belaufen sich auf etwa 2–3 US-Dollar pro Zellenmenge und die Haltbarkeitsdauer beträgt 10+ Jahre, was für Ersatzbestände von Bedeutung ist.